双通道DSP+FPGA的数字信号处理系统研究

许智勇，李祥彬

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

数字信号处理可以应用于各种领域，涉及通信、勘测、遥控、医学、控制等。相比较模拟信号处理平台，数字信号处理平台的应用范围更加广泛，精确度更高，可调整性更强，并且开发周期短、成本低。伴随信号处理系统的性能指标要求越来越高，单一的DSP芯片构成的信号处理系统在实际系统中越发显得不足，而FPGA可以弥补DSP芯片的不足之处，并且FPGA自身的优点使得该平台具备良好的可编程性[1]。

1 硬件部分

对于通讯速度、数据处理量的高要求，双通道信号处理系统采用对称结构。单个的信号处理通道由一片高性能的DSP芯片和一片大容量FPGA芯片构成：两片FPGA芯片之间使用离散线、总线和高速数据线连接交换通信；DSP芯片的工作频率约为1000MHz（1MHz=106Hz），并且在两片之间通过SRIO（通信速率不低于1.25Gbps）实现通信，实现两路之间的协同处理。CPLD可以分别为四片芯片提供复位信号、程序加载以及时钟信号综合配置，加载FPGA后按顺序依次加载DSP1、DSP2。

1.1 DSP设计

两片DSP芯片高速的数据交互功能是基于连接用的Rapid I/O接口。此外单片DSP芯片的Rapid I/O接口对外实现与其他模块的总线数据通信。DSP挂载一片用来存储程序代码的FLASH，系统上电后FLASH中的代码加载至DSP，并且通过EMIF总线连接至FPGA，实现资源共享，扩展外围接口。

DSP芯片要与FPGA芯片协同操作需要完成包括LVDS（Low Voltage Differential Signaling）、RS485（平衡电压数字接口电路的电气特性）、RS422等几种接口通信，并且需要在处理数据过程中实现快速数据交换功能。模数转换模块将外部输入的模拟信号（如电压信号、电流信号）转换成数字信号送入FPGA运算，FPGA进行简单运算之后，数字信号进入DSP芯片，并且信号可以在两者之间实时通信。

1.2 FPGA设计

虽然FPGA是本系统的协处理器，但其是整个设计的核心模块，极大的增强了系统的灵活性。系统中的FPGA需要处理好多个通信连接设计及数据配置：

（1）LVDS接口设计：是一种低压差分信号传输接口，本系统基于多片DS92LV16实现2收1发数据传输功能，由于LVDS的数据传输形式是电流，设计中在接收端接入匹配电阻形成可用于电压传输方式的接收端。

（2）UART接口设计：系统中DSP通过EMIF总线将数据传输给FPGA，FPGA再对数据进行通信协议转换实现UART通信。该接口设计主要通过FPGA调用IP核实现。

（3）数据配置：FPGA读取数据之前需要将其数据线、地址线、控制线连接到CPLD上，CPLD上电之后，FPGA从存储数据的外部FLASH中读取配置数据，并且根据时序将相应的数字信号和控制信号发送给FPGA[2]。

1.3 CPLD设计

CPLD作为辅助系统设计，主要的功能是为主处理器和协处理器提供复位功能，此外还为DSP和FPGA程序加载和时钟综合配置，顺序为先FPGA，之后DSP1、DSP2。

2 程序部分

作为控制中心，FPGA主要工作是数据处理、发送和接收。DSP1结合挂载外部FLASH的CPLD部分实现FPGA的动态加载。

FLASH中的数据由DSP1分配，经过总线写入FPGA1；数据进入FPGA1之后又通过DSP1控制，转向CPLD，而后通过总线转入FLASH，并且在FLASH中完成。

使用编译软件ISE生成网格文件，固化在FLASH中存储的数据在断电后仍会保持。CPLD在上电之后，从FLASH读取配置文件信息，对FPGA系统进行配置。在完成之后，FPGA与FLASH之间通过CPLD搭建的数据通道仍可用，即FPGA在配置完成后可以直接读取FLASH中存储的数据，并操作，达到拓展FPGA的内存目的。根据FLASH中存储的文件类型，需要将.out文件转换成可被读取的二进制文件，之后进行烧写。

3 结束语

本文所设计的基于DSP和FPGA的通用处理模块来构建的数字信号处理系统平台，系统稳定可靠，因为使用FPGA，系统可控制、可编程性增强，相较于传统的模拟信号处理平台而言，本平台的应用领域更加宽广。此外，本平台的设计周期短、成本低。数字信号实时处理平台是信号处理方式设计的趋势，而通过FPGA与DSP的紧密结合的处理平台更加成熟、更加可靠、更加小型化。

[1] 王诚，吴继华.Ahera FPGAPCPLD设计（高级篇）[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[2] 宁李谱，杨宾峰，苗青林.FPGA 器件的配置方式研究[J].河南科技学院学报，2008，9：109-111.